JP2011523370A - Method of curing a substance by ultraviolet rays, apparatus for carrying out the method, and ink cured by ultraviolet rays - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】 ＵＶ ＬＥＤから光を照射することによって物質を硬化させる方法、当該方法を実行するように構成されている装置、および、ＵＶ ＬＥＤから光を照射することによって硬化したインクを提供する。
【選択図】 図２【Task】
A method of curing a material by irradiating light from a UV LED, an apparatus configured to perform the method, and an ink cured by irradiating light from the UV LED are provided.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の基板に大規模に行われるフルカラー印刷に関する。 The present invention relates to full color printing performed on a large scale on substrates of various materials such as flexible and sheet polymers, glass, metal, ceramic, wood and the like.
ロール状の基板に対して行われるデジタル多色インクジェット印刷等の大規模印刷は、宣伝用品、高品質の複製物、および、その他の絵や画像を生産する方法として最も広く利用されている方法の１つである。大規模印刷は、大規模なつり広告、ポスター、窓広告、展示会で見られる持ち運び可能なスタンドおよび照明パネル等の室内用品、ならびに、ポスター、大規模広告、屋外標識、スタンド、照明用品等の屋外（戸外）用品の両方を生産する際に利用される。大規模印刷は常に発展を続けており、例えば、旗、道路用広告、スタンド、ポスターを製造するべく布地に高品質で印刷を行ない、店舗、レストラン、ホテルの内装のために絵画およびポスターを高品質で複製するべくキャンバス地へ印刷し、圧力に弱い膜、建物の格子、半透明の紙および膜等へ印刷を行うようになっている。 Large-scale printing, such as digital multicolor ink-jet printing on a rolled substrate, is one of the most widely used methods for producing advertising goods, high-quality reproductions, and other pictures and images. One. Large-scale printing is used for large-scale hanging advertisements, posters, window advertisements, indoor equipment such as portable stands and lighting panels found in exhibitions, and posters, large-scale advertisements, outdoor signs, stands, lighting equipment, etc. Used to produce both outdoor (outdoor) products. Large-scale printing is constantly evolving, for example, high-quality printing on fabrics to produce flags, road advertising, stands, posters, and paintings and posters for store, restaurant, hotel interiors. In order to reproduce in quality, it is printed on canvas and printed on pressure-sensitive membranes, building grids, translucent paper and membranes.
印刷対象物に応じて要件も変わる。このため、屋外用品向けの印刷には１８０−３６０ｄｐｉの解像度で十分な場合、屋内用品向けの印刷には７２０−２８８０ｄｐｉの解像度が必要となることが多い。解像度３６０ｄｐｉは、写真レベルの品質は必要でない広告およびポスターを印刷するのに適している。解像度７２０ｄｐｉは、写真レベルの品質および正確な色の表示が必要な芸術作品に十分なレベルである。解像度１４４０ｄｐｉは、写真レベルの品質且つ最高解像度で高い芸術性を持つ作品を印刷する際に、細かい色相（ｕｎｄｅｒｈｕｅ）、中間色調、線、および、色を高精度で表示するために利用される。このような印刷方式は、画廊および美術館が所蔵するような絵画の複製物を作成する際に利用される。 Requirements also vary depending on the print object. For this reason, when a resolution of 180-360 dpi is sufficient for printing for outdoor products, a resolution of 720-2880 dpi is often required for printing for indoor products. The resolution of 360 dpi is suitable for printing advertisements and posters that do not require photo-level quality. The resolution of 720 dpi is sufficient for artwork that requires photo-level quality and accurate color display. The resolution of 1440 dpi is used to display fine hues, halftones, lines, and colors with high accuracy when printing a work with photographic quality and highest resolution and high artistry. Such a printing method is used when creating a reproduction of a picture as possessed by an art gallery or a museum.
画像は、コントラストが高く、飽和状態にあり、輝度が高く、鮮明でなければならず、元々のファイルのあらゆる細部を再現しなければならない。この目的は、特別な印刷用設備および印刷後処理用設備、ならびに、インクまたは塗料等の材料、そして特別な方法を利用することで実現されるとしてよい。 The image must be high in contrast, saturated, bright and clear, and reproduce every detail of the original file. This object may be realized by utilizing special printing equipment and post-printing equipment, as well as materials such as inks or paints and special methods.
高い印刷品質を保証するべく、基板でインクまたは塗料が広がることは言語道断であるので、印刷時に即時にインクを硬化させる特別な方法、インクを高速に硬化させる装置、および、特別なインクが必要となっている。 Spreading ink or paint on the substrate to ensure high print quality is verbal and requires a special method of curing the ink instantly during printing, a device that cures the ink at high speed, and special ink It has become.
上記の方法の１つとして、インク、コーティング、ワニスの紫外線硬化を目的とする、紫外線によって物質を即時に硬化させる方法が知られている。当該方法によれば、光開始剤を含む物質が、波長が広帯域にわたる発光ダイオードおよび蛍光灯からの紫外線によって影響を受ける。紫外線の強度は、硬化物質の特性および硬化条件に応じて制御され、ＵＶ ＬＥＤの温度を一定に保つ。 As one of the above-mentioned methods, there is known a method in which a substance is immediately cured by ultraviolet rays for the purpose of ultraviolet curing of inks, coatings and varnishes. According to this method, a material containing a photoinitiator is affected by ultraviolet light from light emitting diodes and fluorescent lamps over a wide wavelength range. The intensity of the ultraviolet light is controlled according to the characteristics of the cured material and the curing conditions, and keeps the temperature of the UV LED constant.
例えば、紫外線によってインクを硬化させる印刷方法および印刷装置が、例えば、米国特許第７，１３７，６９６号明細書から知られている。当該方法は、主要光源である複数のＵＶ ＬＥＤからの紫外線によって印刷する際に、基板上に堆積させたインクドットに対して行われる。このように照射すると、部分的に重合反応が発生するとともに、ゲル内でインクドットの凝固、凝析、および、変換が進み、にじんでいるように見えることなく、インクが広がることもない。 For example, a printing method and a printing apparatus for curing ink with ultraviolet rays are known from, for example, US Pat. No. 7,137,696. This method is performed on ink dots deposited on a substrate when printing is performed with ultraviolet rays from a plurality of UV LEDs that are main light sources. When irradiated in this way, a polymerization reaction partially occurs, and the ink dots are solidified, coagulated, and converted in the gel, so that the ink does not appear to blur and the ink does not spread.
インクドットは、ＬＥＤからの紫外線に暴露された後、副次光源である蛍光ランプを少なくとも１つ有する副次紫外線源からの紫外線に暴露される。これによって、インクドットは完全に重合化されて、凝固すると共に凝析する。主要光源は、基板の上方、つまり、インクドットの上方に配置する必要があり、副次光源は、基板の下方に配置する必要がある。 The ink dots are exposed to ultraviolet rays from an LED, and then exposed to ultraviolet rays from a secondary ultraviolet light source having at least one fluorescent lamp as a secondary light source. As a result, the ink dots are completely polymerized and solidify and coagulate. The main light source needs to be arranged above the substrate, that is, above the ink dots, and the secondary light source needs to be arranged below the substrate.
光反応を開始することができる波長およびエネルギーを持つ半導体放射線を照射することで物質を硬化させる、物質重合化方法および当該方法を実施する装置は、米国特許第６，６８３，４２１号明細書から公知である。１つまたはダイオード群を成す複数の発光ダイオードまたはレーザダイオードを利用する。 A material polymerization method and an apparatus for performing the method for curing a material by irradiation with semiconductor radiation having a wavelength and energy capable of initiating a photoreaction are disclosed in US Pat. No. 6,683,421. It is known. A plurality of light emitting diodes or laser diodes forming one or a group of diodes are used.
米国特許第７，２１１，２９９号明細書によると、紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置が公知である。当該方法および装置は、紫外線光開始剤を含むインク、コーティング、または接着剤を硬化させるためのものであり、ＵＶ ＬＥＤによる紫外線の照射を２段階に分けて行い、第１の照射段階と第２の照射段階とでは波長を異ならせる。波長範囲は、１８０ｎｍから４２０ｎｍである。当該装置では、ＵＶ ＬＥＤが複数の行を形成するように配置されており、特定の波長範囲の光を出射する。可視スペクトルの光を出射する行のＵＶ ＬＥＤは、装置の動作を視覚的にモニタリングできるように配置するとしてよい。装置には、所望の温度にするためのＵＶ ＬＥＤ冷却システムが設けられており、これによって必要な光強度が得られる。ＵＶ ＬＥＤは、ＵＶ ＬＥＤから出射される光が均一になるような距離だけ硬化性物質から離して配置される。 According to U.S. Pat. No. 7,211,299, a method for curing a substance by means of ultraviolet light and an apparatus for carrying out the method are known. The method and apparatus are for curing an ink, a coating, or an adhesive containing an ultraviolet photoinitiator. The UV LED is irradiated in two stages, and the first irradiation stage and the second irradiation stage are performed. The wavelength is different from the irradiation stage. The wavelength range is 180 nm to 420 nm. In this apparatus, the UV LEDs are arranged to form a plurality of rows, and emit light in a specific wavelength range. The UV LEDs in a row that emits light in the visible spectrum may be arranged so that the operation of the device can be visually monitored. The device is provided with a UV LED cooling system to bring it to the desired temperature, thereby obtaining the required light intensity. The UV LED is placed away from the curable material by a distance such that the light emitted from the UV LED is uniform.
このような紫外線による物質硬化方法を実行する装置であって、紫外線源を２つ備えるものが、米国特許第７，１７５，７１２号明細書から公知である。当該装置では、主要紫外線源は、複数の行に並べられて、互いに直列接続され、それぞれ波長が異なる複数のＵＶ ＬＥＤであり、副次紫外線源は、1以上の蛍光ランプである。複数の行に並べられたＬＥＤから成る主要紫外線源は、空冷を行うラジエータに取着されている基板に固定されている。ラジエータには温度センサが設けられており、当該温度センサはＵＶ ＬＥＤの制御部に接続されている。ＬＥＤが複数の行に分かれて並べられている場合、隣接する行の間の間隔は、ｘが行数を表す場合１／ｘだけシフトされているか、または、ＬＥＤは格子状パターンで並べられる。ＵＶインクまたはその他の物質からＵＶ ＬＥＤを保護するべく、透明なプラスチック製の保護シートを利用する。 An apparatus for carrying out such a material curing method using ultraviolet rays and having two ultraviolet ray sources is known from US Pat. No. 7,175,712. In the apparatus, the main ultraviolet ray source is a plurality of UV LEDs arranged in a plurality of rows and connected in series to each other, each having a different wavelength, and the secondary ultraviolet ray source is one or more fluorescent lamps. A main ultraviolet light source composed of LEDs arranged in a plurality of rows is fixed to a substrate attached to a radiator that performs air cooling. The radiator is provided with a temperature sensor, and the temperature sensor is connected to a control unit of the UV LED. If the LEDs are arranged in multiple rows, the spacing between adjacent rows is shifted by 1 / x where x represents the number of rows, or the LEDs are arranged in a grid pattern. A transparent plastic protective sheet is used to protect the UV LED from UV ink or other materials.
基板にインクを高速で塗布する際にインクが広がったり、にじむことがないように、主要紫外線源であるＵＶ ＬＥＤから紫外線を照射することによって、部分的または完全に硬化させると、ゲルにおいて、インク液滴の熱硬化および部分重合化および／または変換が発生する。インクの硬化を停止するには、副次紫外線源、つまり、１以上の蛍光ランプから紫外線を照射することによって行われるべきである。紫外線硬化されたインク、コーティング、ワニスと紫外線源との間には、不活性ガス、例えば、嫌気性のヘリウムから成る無酸素ゾーンを形成して、紫外線光開始剤の性能を高めることができる。 When partially or fully cured by irradiating ultraviolet rays from the UV LED, which is the main ultraviolet ray source, so that the ink does not spread or bleed when the ink is applied to the substrate at high speed, the ink in the gel Thermal curing and partial polymerization and / or transformation of the droplets occurs. To stop ink curing, it should be done by irradiating UV light from a secondary UV source, ie one or more fluorescent lamps. Between the UV-cured ink, coating, varnish and UV source, an oxygen-free zone consisting of an inert gas, such as anaerobic helium, can be formed to enhance the performance of the UV photoinitiator.
主要紫外線源は、複数の行にわたって並べられるＵＶ ＬＥＤから成り、隣接するＬＥＤは、波長が異なり、少なくとも２つの異なる波長範囲内にある。波長が異なるＵＶ ＬＥＤを、ランダムに、混合して、または、順次並べる。波長の種類をより多くするには、１以上の蛍光ランプを有する副次紫外線源を用いて、所与の波長の強度を高めるように調整されるリン化合物を利用する。例えば、２０１１Ｓ型の蛍光ランプは３５１ｎｍの波長の紫外線を放出し、２０５２型は３７１ｎｍ、２０９２型は４３３ｎｍ、２１６２型は４２０ｎｍである。また、波長が４００ｎｍのＵＶ ＬＥＤを用いる。これは、高波長化によって、ＬＥＤの効率係数が高くなる結果、紫外線をより効率的に出射できるようになるためである。複数の行に分けて並べられているＵＶ ＬＥＤを交互に利用して、ＬＥＤが出射する紫外線の波長が、１８０ｎｍから４２０ｎｍの範囲内で異ならせることが好ましい。 The primary UV source consists of UV LEDs arranged across multiple rows, with adjacent LEDs being of different wavelengths and in at least two different wavelength ranges. UV LEDs having different wavelengths are randomly mixed, or sequentially arranged. To increase the number of wavelengths, a phosphor compound is used that is tuned to increase the intensity of a given wavelength using a secondary UV source having one or more fluorescent lamps. For example, the 2011S type fluorescent lamp emits ultraviolet light having a wavelength of 351 nm, the 2052 type is 371 nm, the 2092 type is 433 nm, and the 2162 type is 420 nm. Moreover, UV LED with a wavelength of 400 nm is used. This is because as the wavelength increases, the efficiency coefficient of the LED increases, and as a result, ultraviolet rays can be emitted more efficiently. It is preferable to alternately use the UV LEDs arranged in a plurality of rows and to vary the wavelength of the ultraviolet rays emitted from the LEDs within a range of 180 nm to 420 nm.
厚いポリマーを硬化させるためは、紫外線の波長を長くする必要がある。表面を硬化させる際には、紫外線の波長を短くする必要がある。顔料を含むコーティングは、当該顔料が吸収する波長とは異なる波長の紫外線を利用することで、より良好に硬化する。これは、樹脂の吸収特性、および、インク、コーティング、および、接着剤の添加剤にも関連する。 In order to cure the thick polymer, it is necessary to increase the wavelength of the ultraviolet rays. When curing the surface, it is necessary to shorten the wavelength of ultraviolet rays. A coating containing a pigment is cured better by using ultraviolet light having a wavelength different from the wavelength absorbed by the pigment. This is also related to the absorption properties of the resin and the additives of inks, coatings and adhesives.
さらに、一部のＵＶ ＬＥＤはスペクトルの可視領域の光を出射することができるので、ユーザは装置が動作しているか否かを目で観察することができる。空冷システムによって、所望の出射強度においてＵＶ ＬＥＤの温度を所望の温度にすることができる。空冷システムは、基板にＵＶ ＬＥＤが設けられているラジエータと、ＵＶ ＬＥＤの温度、基板の温度、または、出射強度を一定に保つためのファンとを有する。基板をより良好に冷却することによって基板温度が一定水準に保たれるので、出射強度が一定になり安定化する。ＵＶ ＬＥＤの温度が高くなると、出射強度が低減する可能性がある。 In addition, some UV LEDs can emit light in the visible region of the spectrum, allowing the user to visually observe whether the device is operating. The air cooling system can bring the temperature of the UV LED to the desired temperature at the desired output intensity. The air-cooling system includes a radiator in which a UV LED is provided on a substrate, and a fan for keeping the temperature of the UV LED, the temperature of the substrate, or the emission intensity constant. By cooling the substrate better, the substrate temperature is maintained at a constant level, so that the emission intensity is constant and stabilized. When the temperature of the UV LED increases, the emission intensity may decrease.
各ＵＶ ＬＥＤ群では各ＵＶ ＬＥＤにおける電圧降下が同じになるので、並列に並べられているグループに含まれる各ＵＶ ＬＥＤでは電流および出射が同じになる。伝導方向におけるＵＶ ＬＥＤ同士の間の電流減少幅は、５％から１０％の範囲内で変動するので、各ＵＶ ＬＥＤでの損失は最小限に抑えられる。 Since each UV LED group has the same voltage drop in each UV LED, the current and emission are the same in each UV LED included in the group arranged in parallel. Since the current decrease width between the UV LEDs in the conduction direction varies within a range of 5% to 10%, the loss in each UV LED is minimized.
紫外線源と硬化性物質との間の距離は、物質の照射面の全ての点において出射強度が等しくなるように選択される必要がある。 The distance between the UV source and the curable material needs to be selected so that the output intensity is equal at all points on the irradiated surface of the material.
ＵＶ ＬＥＤの制御部は、ＵＶ ＬＥＤをオン／オフに制御すると共にＵＶ ＬＥＤの出射強度を安定化させる機能を持つ。ＵＶ ＬＥＤが周期的に過熱状態になることを避けるべく、電源は比較的頻繁にオン／オフに制御される。周期は、紫外線の強度に応じて変わる。 The control unit of the UV LED has a function of controlling the UV LED on / off and stabilizing the emission intensity of the UV LED. In order to avoid the UV LED from periodically overheating, the power supply is controlled on / off relatively frequently. The period varies depending on the intensity of the ultraviolet light.
上述した紫外線を用いて物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置には、大きな問題点がある。 The above-described method for curing a substance using ultraviolet rays and the apparatus for carrying out the method have major problems.
公知の紫外線物質硬化方法および当該方法を実施する装置は、蛍光ランプを利用しているので、蛍光ランプに関する欠点を全て抱えている。例えば、効率係数が低いこと、動作温度が高いこと、寿命が短いこと、オゾンを放出するために環境に優しくないこと、消費電力が高いこと、適用面積が制限されてしまうことなどが挙げられる。特に、上記の方法は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタで利用すると、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面にフルカラー画像を印刷できないと共に、紫外線硬化性物質の十分に厚い層を高い硬化速度で形成することができない。 Since the known ultraviolet light curing method and the apparatus for performing the method use a fluorescent lamp, they have all the disadvantages associated with the fluorescent lamp. For example, the efficiency factor is low, the operating temperature is high, the lifetime is short, the environment is not friendly because ozone is released, the power consumption is high, and the application area is limited. In particular, the above method can be used in piezo inkjet full color printers with various types of printheads, such as surfaces of various materials such as flexible and sheet polymers, glass, metal, ceramic, wood, etc. In addition, a full-color image cannot be printed, and a sufficiently thick layer of an ultraviolet curable material cannot be formed at a high curing rate.
蛍光ランプおよびＵＶ ＬＥＤを同時に利用するために、処理が複雑になり、紫外線によって物質を硬化するコストが高くなっている。 Since the fluorescent lamp and the UV LED are used at the same time, the processing becomes complicated, and the cost of curing the material by ultraviolet rays increases.
紫外線照射装置の範囲が広すぎる。光開始剤が狭いスペクトルにおいて最大感度を持つことを考慮に入れていない。つまり、光開始剤の物理特性および化学特性が考慮されていない。公知の光開始剤は最大感度が３６５ｎｍ以下の波長範囲にあるので、これよりも波長が長い紫外線を出射するＬＥＤを利用すると、効果が得られない。物質の硬化にスペクトルが広い紫外線を利用するのは、硬化対象の物質の組成に含まれる光開始剤の感度が最大になるスペクトル領域では紫外線強度が低くなるので、有効でない。 The range of the UV irradiation device is too wide. It does not take into account that photoinitiators have maximum sensitivity in a narrow spectrum. That is, the physical and chemical properties of the photoinitiator are not considered. Since a known photoinitiator has a maximum sensitivity in a wavelength range of 365 nm or less, an effect cannot be obtained when an LED that emits ultraviolet light having a longer wavelength is used. The use of ultraviolet light having a broad spectrum for curing the substance is not effective because the ultraviolet intensity is low in the spectral region where the sensitivity of the photoinitiator contained in the composition of the substance to be cured is maximized.
光開始剤が反応するＬＥＤの数を減らして、より長波長、例えば、４００ｎｍのＬＥＤを採用すると、光開始剤が対象とする波長において、出射電力が実質的に低減してしまう。ラジエータの効率を制御するべく可視スペクトルを出射するＬＥＤを利用すると、光開始剤の感度が最も高くなる波長の出射電力が低減してしまう。また、照射する位置は、ラジエータが動作している場合は、紫外線が照射されている面は実質的に見えないような位置となっている。 When the number of LEDs to which the photoinitiator reacts is reduced and an LED having a longer wavelength, for example, 400 nm, is employed, the output power is substantially reduced at the wavelength targeted by the photoinitiator. If an LED that emits a visible spectrum is used to control the efficiency of the radiator, the output power of the wavelength at which the sensitivity of the photoinitiator is highest is reduced. Further, the irradiation position is such that when the radiator is operating, the surface irradiated with ultraviolet rays is substantially invisible.
出射強度をセンサで読み取ると共に温度をフィードバックおよび安定化することによってＬＥＤの出射強度を制御する方法は、有効性がない。ＬＥＤでは、温度が上昇すると結晶が劣化して、温度が高くなるほどに、劣化の程度が大きくなる。ＬＥＤにおいて結晶が劣化するので、出射強度は低下する。結晶が劣化するに応じて紫外線強度が低減していることを光センサが検知すると、冷却システムはラジエータを冷却して、ＬＥＤの温度を低下させて、ＬＥＤの出射強度を高めることを試みる。このようにしても紫外線強度は高くならないので、冷却システムは最高限度に近い状態で動作する。このような出射強度制御システムは、基板がラジエータに載置されるとＬＥＤはラジエータにはないために、ＬＥＤの結晶の劣化を食い止めているわけではないので、有効ではない。この結果、ＬＥＤの紫外線強度は低下してしまう。 The method of controlling the output intensity of the LED by reading the output intensity with a sensor and feeding back and stabilizing the temperature is ineffective. In the LED, the crystal deteriorates when the temperature rises, and the degree of deterioration increases as the temperature increases. Since the crystal deteriorates in the LED, the emission intensity decreases. When the optical sensor detects that the UV intensity is decreasing as the crystal degrades, the cooling system attempts to increase the emission intensity of the LED by cooling the radiator to lower the LED temperature. This does not increase the UV intensity, so the cooling system operates near the maximum limit. Such an emission intensity control system is not effective when the substrate is placed on the radiator, since the LED is not in the radiator, and thus does not stop the deterioration of the crystal of the LED. As a result, the ultraviolet intensity of the LED decreases.
ＬＥＤの一部は並列回路に含まれ、ＬＥＤが出射する光は波長が異なるので、回路に流れる電流は偏差を５％から１０％の範囲内として選択する必要がある。このように選択する必要があるので、紫外線を用いて物質を硬化させるプロセスのコストが高くなってしまう。さらに、ＬＥＤの内部の抵抗の温度が上昇して、その結果、ＬＥＤを流れる電流が変化すると、ＬＥＤの出射強度が変化してしまう。波長が異なる光を出射する複数の異なる種類のＬＥＤを利用することに加えて、特性までも異なると、ＬＥＤの制御システムが複雑になってしまう。 Since some of the LEDs are included in the parallel circuit and the light emitted from the LEDs has different wavelengths, the current flowing through the circuit must be selected with a deviation in the range of 5% to 10%. Since it is necessary to make such a selection, the cost of the process of curing the substance using ultraviolet rays increases. Furthermore, when the temperature of the resistance inside the LED rises and as a result, the current flowing through the LED changes, the emission intensity of the LED changes. In addition to using a plurality of different types of LEDs that emit light having different wavelengths, if the characteristics are different, the LED control system becomes complicated.
上述したような欠点を持つために、例えば、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面にフルカラー画像を印刷するべく、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタで利用できず、光開始剤の感度が最大であるスペクトル領域における紫外線強度が低くなり、紫外線硬化性物質の十分に厚い層を高速に提供することができない。このため、上記の紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置の利用範囲が制限されてしまう。 Due to the disadvantages mentioned above, for example, various types of prints for printing full color images on various materials such as flexible and sheet-like polymers, glass, metal, ceramic, wood, etc. It cannot be used in a piezo inkjet full-color printer equipped with a head, and the ultraviolet intensity in the spectral region where the sensitivity of the photoinitiator is maximum is low, and a sufficiently thick layer of an ultraviolet curable substance cannot be provided at high speed. For this reason, the utilization range of the method of hardening a substance with the above-mentioned ultraviolet rays and the apparatus for carrying out the method are limited.
紫外線によって硬化することができる従来のインクを説明する。多くの場合、摂氏３０度において粘度は３５ｃＰ（３５．１０−３Ｐａ．Ｓ）以下である。着色成分、希釈剤、および／または、少なくとも１種類の光重合触媒を含むとしてよい。希釈剤は、単官能基材料および多官能基材料で構成されるとしてよい。１種類のオリゴマーを少なくとも５−３０重量パーセント含むとしてよい（例えば、米国特許第６，５９３，３９０号明細書を参照のこと）。このようなインクは、広い範囲の紫外線によって硬化するように調整されており、狭い範囲の紫外線では硬化しない場合がある。 A conventional ink that can be cured by ultraviolet rays will be described. In many cases, the viscosity is 30 cP (35.10 −3 Pa.S) or less at 30 degrees Celsius. It may include a coloring component, a diluent, and / or at least one photopolymerization catalyst. The diluent may be composed of a monofunctional material and a multifunctional material. One type of oligomer may be included at least 5-30 weight percent (see, eg, US Pat. No. 6,593,390). Such ink is adjusted to be cured by a wide range of ultraviolet rays, and may not be cured by a narrow range of ultraviolet rays.
さらに、硬化可能な組成を説明すると、フリーラジカルを持つ少なくとも１種類の重合化可能化合物、または、少なくとも１種類の単官能基、二官能基、三官能基、または、四官能基のアクリレートモノマー、および／または、アクリレート官能基を持つ少なくとも１種類の単官能基、二官能基、三官能基、または、四官能基のオリゴマーを含む化合物、および、プラズマ放電によって活性化され得る少なくとも１種類の光潜在性化合物を含む（例えば、ロシア連邦特許出願第２００４１３３８８６号、ＩＰＣ Ｃ０８Ｆ２／５２を参照のこと）。しかし、プリンタでは、量子供給元としてプラズマ放電を利用することはできない。上述した組成の主な欠点は、粘度が高いためにピエゾインクジェット方式のプリンタでは適切な印刷品質を実現できない点にある。 Further describing the curable composition is at least one polymerizable compound having a free radical, or at least one monofunctional, bifunctional, trifunctional, or tetrafunctional acrylate monomer, And / or a compound comprising at least one monofunctional, bifunctional, trifunctional, or tetrafunctional oligomer having an acrylate functional group and at least one light that can be activated by plasma discharge Including latent compounds (see, for example, Russian Patent Application No. 2004133886, IPC C08F2 / 52). However, a printer cannot use plasma discharge as a quantum supply source. The main drawback of the above-described composition is that an appropriate print quality cannot be realized with a piezo ink jet printer because of its high viscosity.
公知の紫外線硬化性のプリンタ用インクは、主に代わり映えのしないものであり、広スペクトルの紫外線ランプと共に利用するのに適しており、顔料、オリゴエステルアクリレート、および、修飾エポキシジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂を含むとしてよい。修飾エポキシジアン樹脂としては、分子量が５５０−６００のアクリル化したエポキシ−ジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂が挙げられるとしてよく、これは、同等量のメタ（アクリル）酸および分子量が４００−５００のエポキシ−ジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂を相互作用させた結果得られるものである。さらに、光開始剤を含むとしてよく、共開始剤は過酸化ベンゾイルおよび／またはジニトリルアゾビスイソ酪酸であり、チキソトロピック性物質は、アエロジル、消泡剤−ポリジメチルシロキサン液および不活性無機充填剤である（例えば、ロシア連邦特許出願第２０５５７４１号を参照のこと）。 Known UV curable printer inks are primarily non-glaring and suitable for use with broad spectrum UV lamps, pigments, oligoester acrylates, and modified epoxy-dianes. A resin may be included. The modified epoxydian resin may include an acrylated epoxy-diane resin having a molecular weight of 550-600, which includes an equivalent amount of meth (acrylic) acid and an epoxy having a molecular weight of 400-500. -It is obtained as a result of the interaction of epoxide-diane resin. In addition, a photoinitiator may be included, the coinitiator is benzoyl peroxide and / or dinitrile azobisisobutyric acid, and the thixotropic material is aerosil, antifoam-polydimethylsiloxane fluid and inert inorganic filler. Agent (see, for example, Russian Patent Application No. 2055741).
この種類のインクは、レオロジー特性に関して、主に粘度が高いために、大規模のピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタでは高品質の印刷を実現することができず、利用分野が制限されてしまう。また、インクを高速で硬化できる（比照射電力が３０Ｗ／ｃｍの場合に約１−２秒）のは、塗料層の厚みが１−１．５μｍになる場合のみである。この厚みは、オフセット印刷では通常の値であるが、ピエゾインクジェット方式のプリンタで印刷される画像の場合は、塗料層の厚みが約２０μｍとなり、このような厚みの塗料層の硬化時間は、大幅に長くなってしまう。また、上記のインクで利用される光開始剤は、現在の大規模なピエゾインクジェット方式のプリンタで現在利用されている紫外線源としては最も有効性が高く経済的であるＵＶ ＬＥＤで最高強度が得られる３６５ｎｍの波長を含む紫外線スペクトル領域において感度が極大とならない。 This type of ink is mainly high in viscosity with respect to rheological properties, so that high-quality printing cannot be realized with a large-scale piezo inkjet full-color printer, and the field of use is limited. Further, the ink can be cured at high speed (about 1-2 seconds when the specific irradiation power is 30 W / cm) only when the thickness of the coating layer is 1-1.5 μm. This thickness is a normal value in offset printing, but in the case of an image printed by a piezo ink jet printer, the thickness of the coating layer is about 20 μm, and the curing time of the coating layer having such a thickness is greatly increased. It will be long. In addition, the photoinitiator used in the above ink has the highest intensity in the UV LED, which is the most effective and economical UV source currently used in large-scale piezo ink jet printers. The sensitivity does not become maximum in the ultraviolet spectrum region including the wavelength of 365 nm.
本発明は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタを利用して、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面に大規模なフルカラー画像を印刷すること、および、印刷時に紫外線硬化性材料を高速で硬化させることを目的として、包括的な解決方法を提供する。このため、紫外線によって物質を硬化させる新たな方法、および、当該方法を実施する装置、および、紫外線硬化性インクを本明細書において説明する。 The present invention utilizes piezo inkjet full-color printers with various types of printheads, and is widely applied to the surface of various materials such as flexible polymers and sheet polymers, glass, metals, ceramics, and wood. A comprehensive solution is provided for printing large-scale full-color images and for curing UV curable materials at high speed during printing. For this reason, a new method for curing a substance with ultraviolet light, an apparatus for carrying out the method, and an ultraviolet curable ink are described herein.
物質硬化方法は、ＵＶ ＬＥＤからの照射によって、基板表面に塗布される光開始剤を含む硬化性物質に対して行われる。ＬＥＤから出射される紫外線は、硬化性物質に含まれる光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応し、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数で、直列に配置されているＵＶ ＬＥＤに電流パルスを印加する。 The material curing method is performed on a curable material containing a photoinitiator applied to the substrate surface by irradiation from a UV LED. The ultraviolet light emitted from the LED corresponds to the spectral region where the sensitivity of the photoinitiator contained in the curable substance is maximized, and applies a current pulse to the UV LEDs arranged in series at a frequency of 1 kHz to 10 MHz. .
本発明を実施するべく利用される複数のＵＶ ＬＥＤは、出射スペクトルが同じである。 The plurality of UV LEDs utilized to implement the present invention have the same emission spectrum.
周波数、および／または、電流の大きさ、および／または、電流パルス比を変化させることによって、ＵＶ ＬＥＤの出射強度を制御することができる。このため、ＵＶ ＬＥＤの平均許容損失は最大値に近づく。周波数、電流の大きさ、および、電流パルス比は、硬化性物質の重合化エネルギー、硬化性物質の組成、硬化性物質の層の厚み、表面に硬化性物質を塗布する方法、ＬＥＤから硬化性物質に紫外線を照射する期間、周囲環境の温度および湿度、および、ＵＶ ＬＥＤの特性に応じて選択される必要がある。 By changing the frequency and / or the magnitude of the current and / or the current pulse ratio, the emission intensity of the UV LED can be controlled. For this reason, the average allowable loss of the UV LED approaches the maximum value. Frequency, current magnitude, and current pulse ratio are determined by the polymerization energy of the curable material, the composition of the curable material, the layer thickness of the curable material, the method of applying the curable material to the surface, and the curable from the LED. It needs to be selected according to the period during which the substance is irradiated with ultraviolet rays, the temperature and humidity of the surrounding environment, and the characteristics of the UV LED.
紫外線によって物質を硬化させる装置は、複数のＵＶ ＬＥＤを有する紫外線源、紫外線源のＵＶ ＬＥＤの制御ブロック、ＵＶ ＬＥＤを冷却するラジエータ、および、ＵＶ ＬＥＤの制御ブロックと対応付けられているＵＶ ＬＥＤの温度センサを備え、紫外線源は、光学的に集束させるためのシステムを有する。ＵＶ ＬＥＤの制御ブロックは、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数で、直列に配置されているＵＶ ＬＥＤに電流パルスが印加されるように構成されている。 An apparatus for curing a substance by ultraviolet light includes an ultraviolet light source having a plurality of UV LEDs, a UV LED control block for the ultraviolet light source, a radiator for cooling the UV LED, and a UV LED associated with the UV LED control block. With a temperature sensor, the UV source has a system for optical focusing. The control block of the UV LED is configured such that current pulses are applied to the UV LEDs arranged in series at a frequency of 1 kHz to 10 MHz.
紫外線源が有する複数のＵＶ ＬＥＤは、１本の線を形成するように複数の行に分けて直列に配置されており、出射スペクトルが同じである。ＵＶ ＬＥＤの制御ブロックは、周辺コンピューティングデバイスに接続されているマスターコントローラと、マスターコントローラに第１および第２のデータ入力で結合されている複数のＵＶ ＬＥＤ電力制御モジュールとを有しており、対応するＵＶ ＬＥＤに電力的に結合されているとしてよい。 The plurality of UV LEDs included in the ultraviolet light source are arranged in series in a plurality of rows so as to form one line, and have the same emission spectrum. The UV LED control block includes a master controller connected to the peripheral computing device and a plurality of UV LED power control modules coupled to the master controller with first and second data inputs; It may be electrically coupled to a corresponding UV LED.
温度センサは、ラジエータに配置されており、温度センサの出力は、制御ブロックに接続されている The temperature sensor is located on the radiator and the output of the temperature sensor is connected to the control block
各電力モジュールは、電流のパルス制御レギュレータとして構成されている。ＵＶ ＬＥＤは、ラジエータに直接固定されるとしてよく、ハンダ付けで固定されるのが好ましい。 Each power module is configured as a current pulse control regulator. The UV LED may be fixed directly to the radiator and is preferably fixed by soldering.
ラジエータは、液体熱交換器として構成されているとしてよい。有色および白色の紫外線硬化性インクが用意される。有色の紫外線硬化性インクの組成は、以下のものであってよい。単位は重量パーセントである。
顔料 １−３
二官能基アクリレート ６０−７０
単官能基アクリレート ５−１０
多官能基アクリレート ５−１０
光開始剤 ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤 ２−５
シリコーン添加剤 ０．２−１
超分散剤 ０．０２−０．１
共分散剤 ０．０２−０．１
光安定剤 ０．０２−１
The radiator may be configured as a liquid heat exchanger. Colored and white UV curable inks are prepared. The composition of the colored ultraviolet curable ink may be as follows. The unit is weight percent.
Pigment 1-3
Bifunctional acrylate 60-70
Monofunctional acrylate 5-10
Multifunctional acrylate 5-10
Photoinitiator 3-8
Co-initiator or amine synergist 2-5
Silicone additive 0.2-1
Super dispersant 0.02-0.1
Co-dispersant 0.02-0.1
Light stabilizer 0.02-1
白色の紫外線硬化性インクの組成は、以下のものであってよい。単位は重量パーセントである。
顔料 ２０−３０
二官能基アクリレート ６０−７０
光開始剤 ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤 ２−５
シリコーン添加剤 ０．２−１
超分散剤 ０．０２−０．１
共分散剤 ０．０２−０．１
光安定剤 ０．０２−１
The composition of the white UV curable ink may be as follows. The unit is weight percent.
Pigment 20-30
Bifunctional acrylate 60-70
Photoinitiator 3-8
Co-initiator or amine synergist 2-5
Silicone additive 0.2-1
Super dispersant 0.02-0.1
Co-dispersant 0.02-0.1
Light stabilizer 0.02-1
本願において、「重量パーセント」という用語は、全体の重量に対する重量の割合を意味するものとする。 In this application, the term “weight percent” shall mean the ratio of weight to total weight.
多官能基アクリレートの例を挙げると、例えば、台湾の紫外線ポリマーメーカーであるＥｔｅｒｎａｌ社の、官能基が４から１４の産業用アクリレート樹脂、官能基が１２から１４のＥＭ−６３６２モノマー（メーカーは化学式を公開していない）、官能基が６のジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、プロポキシラートペンタエリスリノルテトラアクリレート（ｐｒｏｐｏｘｙｌａｔｅｐｅｎｔａｅｒｙｔｈｒｉｎｏｌｔｅｔｒａａｃｒｙｌａｔｅ）を利用することができる。インクにおける多官能基モノマーの含有率は、インク粘度の上限および下限によって決まるが、最高で１０重量パーセントである。 Examples of polyfunctional acrylates include, for example, Industrial acrylate resins with functional groups of 4 to 14, EM-6362 monomers with functional groups of 12 to 14 (manufactured by chemical formula Dipentaerythritol hexaacrylate having a functional group of 6 and propoxylate pentaerythritol tetraacrylate (propoxylate pentaerythritol tetraacrylate) can be used. The content of the polyfunctional monomer in the ink is determined by the upper and lower limits of the ink viscosity, but is a maximum of 10 weight percent.
このような多官能基モノマーは、非常にアクティブなＣ＝Ｃ結合を有するので、インクを高速で硬化させることができる。多官能性モノマーの量が５重量パーセント未満の場合、インクの光感受性（硬化速度）、非吸収性の基板に対する接着度、および、外的影響に対する画像の耐性が大幅に低下してしまう。樹脂の濃度が１０重量パーセントを超えると、多官能基モノマーの粘度が高いためにインクの粘度が許容範囲を超えて高くなってしまい、インクの印刷特性が悪くなってしまう。多官能基モノマーの最も好ましい含有率は５−１０重量パーセントである。 Such a polyfunctional monomer has a very active C═C bond, so that the ink can be cured at high speed. If the amount of the polyfunctional monomer is less than 5 weight percent, the photosensitivity (curing speed) of the ink, the degree of adhesion to the non-absorbing substrate, and the resistance of the image to external influences are greatly reduced. When the concentration of the resin exceeds 10 weight percent, the viscosity of the polyfunctional group monomer is high, so that the viscosity of the ink exceeds the allowable range and the printing characteristics of the ink are deteriorated. The most preferred content of the polyfunctional monomer is 5-10 weight percent.
紫外線硬化性インクは、二官能基アクリレートとして、例えば、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレートを含むとしてよい。 The ultraviolet curable ink may include, for example, 1,6-hexanediol diacrylate and dipropylene glycol diacrylate as the bifunctional acrylate.
当該紫外線硬化性インクは、単官能基アクリレートとして、例えば、イソボロニルアクリレート、オクチルデシルアクリレート、環状トリメチロールプロパンホルマールアクリレートを含むとしてよい。 The ultraviolet curable ink may include, for example, isobornyl acrylate, octyl decyl acrylate, and cyclic trimethylolpropane formal acrylate as the monofunctional group acrylate.
顔料としては、印刷用顔料が用いられ、当該紫外線硬化性インクにおける顔料の含有率は、顔料の紫外線吸収率が高いために、オフセット印刷用のインクよりも低い。当該インクにおける印刷用顔料の濃度は最小限に抑える必要があり、色の強度を高く、および、インクの被覆範囲を大きくするためには、インクの層の厚みを大きくすること、および、分散を０．５ミクロン未満とすることで対処する。当該紫外線硬化性インクの顔料含有率は、大半の顔料について１−３重量パーセントで、白色顔料について２０−３０重量パーセントである。ある実施形態によると、顔料の割合は、３重量％を上回ると、インクの硬化速度が急激に低下するので好ましくなく、１重量％を下回ると、インクの色の強度が低くなるために好ましくない。 As the pigment, a printing pigment is used, and the content of the pigment in the ultraviolet curable ink is lower than that of the ink for offset printing because the ultraviolet absorption rate of the pigment is high. The concentration of the printing pigment in the ink must be kept to a minimum. To increase the color strength and increase the ink coverage, the ink layer thickness is increased and the dispersion is reduced. Deal with it by making it less than 0.5 micron. The pigment content of the UV curable ink is 1-3 weight percent for most pigments and 20-30 weight percent for white pigments. According to an embodiment, if the ratio of the pigment exceeds 3% by weight, it is not preferable because the curing rate of the ink rapidly decreases, and if it is less than 1% by weight, it is not preferable because the color strength of the ink decreases. .
光開始剤としては、例えば、ＵＶ ＬＥＤの強度が最も高くなる波長である３６５ｎｍを含む所与の紫外線スペクトル領域において感度が極大となるものを利用する。これは、現時点においては、現在の大規模なピエゾインクジェット方式のプリンタで利用されている紫外線源としては、ＵＶ ＬＥＤが最も有効性が高く経済的であるためである。 As the photoinitiator, for example, a photoinitiator having a maximum sensitivity in a given ultraviolet spectrum region including 365 nm which is a wavelength at which the intensity of the UV LED is highest is used. This is because, at the present time, UV LEDs are the most effective and economical as the ultraviolet light source used in the current large-scale piezo ink jet printers.
このような光開始剤は、所与の波長の光量子を吸収すると、放出するフリーラジカルの量が最大となる。例えば、３６５ｎｍの波長を含む範囲については、以下の光開始剤を利用できる。同様の光重合可能組成を持つ公知の化合物であり、例えば、ベンゾイルエーテル、チオキサントトン（ｔｈｉｏｘａｎｔｏｔｈｏｎｅｓ）、ベンゾフェノン等の誘導体がある。具体的には、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシドおよびモノアシルホスフィンオキシドおよびこれらの混合物がある。インクにおける光開始剤の含有率は、３−８重量パーセントである。３重量パーセントを下回ると、硬化速度が速くならない場合があり、８重量パーセントを上回ると、どちらの化合物も二官能基アクリレートでの溶融性に限度があり、硬化時に上部層での反応が高過ぎると、インク層の深い部分までフリーラジカルが到達できなくなり、基板に近接した箇所においてインクが未硬化となるので、不適切である場合がある。 Such photoinitiators maximize the amount of free radicals released when they absorb photons of a given wavelength. For example, the following photoinitiators can be used for a range including a wavelength of 365 nm. Known compounds having a similar photopolymerizable composition, for example, derivatives such as benzoyl ether, thioxanthone, and benzophenone. Specifically, there are 2,4,6-trimethylbenzoyl diphenylphosphine oxide and monoacylphosphine oxide and mixtures thereof. The content of photoinitiator in the ink is 3-8 weight percent. Below 3 weight percent, the cure rate may not increase, and above 8 weight percent, both compounds have limited meltability with difunctional acrylates, and the top layer reaction is too high during cure. In this case, free radicals cannot reach a deep part of the ink layer, and the ink becomes uncured at a position close to the substrate, which may be inappropriate.
大規模のピエゾインクジェット方式のフルカラー印刷で利用されるインクは、チキソトロピック特性を持つべくではなく、表面張力が３０ｄｙｎｅｓ／ｃｍ未満でなければならないので、例えば、ＤＯＷＣｏｒｎｉｎｇ社の製品Ｎｏ．５７（ジメチルメチル（ポリエチレンオキシドアセテート）シロキサン）等のシリコーン添加剤を含む。当該インクにおけるこのようなシリコーン添加剤の含有率は、０．２−１重量パーセントであり、この値が満たされる限り、要件通りにチキソトロピック特性が低くなると共に表面張力も上記の範囲内に収まる。光安定剤としては、Ｎ−ニトロソフェニルヒドロキシルアミンアルミニウム塩が用いられ、含有率は０．０２−０．５パーセントとなる。紫外線のスペクトルが狭くなるのは、同じ種類、つまり、同じ波長のＵＶ−ＬＥＤを複数備える紫外線源を利用するためである。狭帯域でありつつ高速度でインクを硬化させるためには、吸収エネルギーの感度がスペクトルの狭い帯域に当てはまる光開始剤が必要となる。大半の光開始剤の感度は、３６５ｎｍ帯域には当てはまらない。そして、このスペクトル帯域に感度を持つ光開始剤は、放出するフリーラジカルの量が、担体上でインクが完全に硬化するためには十分ではなく、言い換えると、適切でない。完全且つ高速に硬化させるためには、アミン相乗剤を利用してフリーラジカルを再生成すると共に、低粘度の多官能性アクリルモノマー（官能基は４−１４）を利用して反応性を高める必要がある。 Ink used in large-scale piezo inkjet full-color printing should not have thixotropic properties and must have a surface tension of less than 30 dynes / cm. For example, DOW Corning product no. Silicone additives such as 57 (dimethylmethyl (polyethylene oxide acetate) siloxane) are included. The content of such silicone additives in the ink is 0.2-1 weight percent, and as long as this value is satisfied, the thixotropic properties are reduced as required and the surface tension is within the above range. . As the light stabilizer, N-nitrosophenylhydroxylamine aluminum salt is used, and the content is 0.02-0.5 percent. The reason why the spectrum of ultraviolet rays becomes narrow is to use an ultraviolet ray source having a plurality of UV-LEDs of the same type, that is, the same wavelength. In order to cure the ink at a high speed while being in a narrow band, a photoinitiator in which the sensitivity of absorbed energy is applied to a narrow band of the spectrum is required. The sensitivity of most photoinitiators does not apply to the 365 nm band. A photoinitiator sensitive in this spectral band is not sufficient for the amount of free radicals released to fully cure the ink on the carrier, in other words not appropriate. In order to cure completely and quickly, it is necessary to regenerate free radicals using amine synergists and to increase reactivity using low-viscosity polyfunctional acrylic monomers (functional group is 4-14) There is.
当該インクには、オリゴマーを入れることはできない。これは、オリゴマーの粘度が高いためである。希釈剤としては主に、低粘度の非常に反応性が高い二官能基アクリルモノマーを利用する。コーティングの物理的特性（接着性、攻撃的な媒質に対する耐性、機械的強度）を改善するべく、インクには単官能基モノマーを含める。インク組成は、プリントヘッドのパラメータによって変わる物理特性を実現するように選択されるべきである。摂氏２０度から摂氏４５度の範囲内の温度安定化状態における粘度は、１０ｃｐ（１０．１０−３Ｐａ．ｓ）以下でなければならず、表面張力は２３−３０ｄｙｎｅ／ｃｍである。説明したインクは主に、紫外線硬化システムを備える大規模なピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタでの利用を想定して構成されている。 The ink cannot contain an oligomer. This is because the viscosity of the oligomer is high. As a diluent, a bifunctional acrylic monomer having a low viscosity and a high reactivity is mainly used. In order to improve the physical properties of the coating (adhesion, resistance to aggressive media, mechanical strength), the ink contains a monofunctional monomer. The ink composition should be selected to achieve physical properties that vary with printhead parameters. The viscosity in the temperature stabilized state within the range of 20 degrees Celsius to 45 degrees Celsius must be 10 cp (10.10 −3 Pa.s) or less, and the surface tension is 23-30 dyne / cm. The inks described are mainly configured for use in a large-scale piezo inkjet full-color printer equipped with an ultraviolet curing system.
紫外線領域は、３つの小領域に分割される。つまり、波長が２００−２８０ｎｍの短波長領域、波長が２８０−３１５ｎｍの中波長領域、波長が３１５−３８０ｎｍの長波長領域である。紫外線短波長領域は、プリンタ用インク等の物質の硬化にはほとんど適しておらず、２８０ｎｍ未満の波長の紫外線はオゾンを生成し、人体に有害である。紫外線中波長領域は、医学的研究によると、人間にとって白内障および黒色腫といった不治の病気の原因となるので人体に有害である。紫外線短波長領域および紫外線中波長領域を利用する上で障害となるのは、この波長領域のＬＥＤは非常にコストが高く、効率係数が１％未満となるためである。 The ultraviolet region is divided into three subregions. That is, a short wavelength region with a wavelength of 200-280 nm, a medium wavelength region with a wavelength of 280-315 nm, and a long wavelength region with a wavelength of 315-380 nm. The ultraviolet short wavelength region is hardly suitable for curing materials such as printer ink, and ultraviolet light having a wavelength of less than 280 nm generates ozone and is harmful to the human body. The ultraviolet wavelength region is harmful to the human body because it causes incurable diseases such as cataracts and melanoma according to medical research. The reason for using the ultraviolet short wavelength region and the ultraviolet intermediate wavelength region is that the LED in this wavelength region is very expensive and has an efficiency factor of less than 1%.
紫外線長波長領域は、自然界での紫外線に最も近く、人体への悪影響も最も小さい。しかし、利用には多くの困難が伴う。第一に問題となるのは、紫外線硬化性物質において、３００−３３０ｎｍという波長で感度が最大となる光開始剤が最も多い（何十種類もの光開始剤がそうである）点である。３６５ｎｍの波長で感度が最大となる光開始剤は数種類に過ぎず、このような光開始剤は３９５−４００ｎｍの波長範囲では全く感度がない。第二に問題となるのは、波長が短くなるにつれて、コストが高くなり、ＬＥＤの効率係数は低減するという点である。波長が３００−３５０ｎｍの高強度のＬＥＤは、コストが非常に高く、コスト面から非現実的であり、波長が３７５−４０５ｎｍになると、コストは低いが、この範囲内で感度が最高となる光開始剤はない。３５０−３７５ｎｍという波長範囲が、ＬＥＤのコストが高くなり過ぎず、効率係数が低くなり過ぎず、この波長範囲内で感度が最高となる光開始剤が存在するので、最も有力な候補である。 The ultraviolet long wavelength region is closest to ultraviolet rays in nature and has the least adverse effect on the human body. However, there are many difficulties to use. The first problem is that UV curable materials have the largest number of photoinitiators that have maximum sensitivity at wavelengths of 300-330 nm (as do dozens of photoinitiators). There are only a few photoinitiators that have maximum sensitivity at a wavelength of 365 nm, and such photoinitiators are completely insensitive in the 395-400 nm wavelength range. The second problem is that as the wavelength becomes shorter, the cost increases and the efficiency factor of the LED decreases. A high-intensity LED with a wavelength of 300 to 350 nm is very expensive and unrealistic in terms of cost. When the wavelength is 375 to 405 nm, the cost is low, but the light with the highest sensitivity within this range. There is no initiator. The wavelength range of 350-375 nm is the most promising candidate because there is a photoinitiator with the highest cost sensitivity within this wavelength range without the LED cost becoming too high and the efficiency factor too low.
上述したように、印刷インクは、フォトポリマー、光開始剤、および、紫外線に対して耐性を持ち、紫外線を照射しても色あせない固体の不溶性顔料、例えば、黒色用にはすすを含む。光開始剤は、紫外線が照射されると、内部結合が壊れる。内部結合が壊れた結果発生する物質は、フォトポリマーと化学反応を起こす。この化学反応の結果、ポリマー（プラスチック）が形成される。この場合の主な問題点は、顔料が紫外線を留めるので、紫外線のうち９０％は８分の１の上側インク層で足留めされて、化学反応の速度が遅くなってしまう点にある。紫外線出射電力を倍増させることによって、化学反応の速度を数倍早くすることができる。適切な半導体結晶冷却によって、電流密度は定格値よりも５−７倍高くすることができる。このため、高電力ラジエータを実現するためには、高電力を維持しつつ結晶を冷却すると共に、ＬＥＤにおける出射強度の低減および結晶の劣化を食い止めることができる高効率の冷却システムが必要となる。最も効果的で低コストの冷却システムは、水冷システムである。 As described above, the printing ink includes a photopolymer, a photoinitiator, and a solid insoluble pigment that is resistant to ultraviolet light and does not fade when irradiated with ultraviolet light, such as soot for black. When the photoinitiator is irradiated with ultraviolet rays, the internal bond is broken. Substances generated as a result of broken internal bonds cause a chemical reaction with the photopolymer. As a result of this chemical reaction, a polymer (plastic) is formed. The main problem in this case is that the pigment keeps ultraviolet rays, so that 90% of the ultraviolet rays are retained by the upper ink layer of 1/8, resulting in a slow chemical reaction. By doubling the ultraviolet radiation output power, the chemical reaction rate can be increased several times. With proper semiconductor crystal cooling, the current density can be 5-7 times higher than the rated value. For this reason, in order to realize a high-power radiator, a high-efficiency cooling system capable of cooling the crystal while maintaining high power and reducing the emission intensity in the LED and preventing the deterioration of the crystal is required. The most effective and low cost cooling system is a water cooling system.
インク層に対して出来る限り深い位置まで紫外線を貫通させるためには、低電力の紫外線を長時間にわたって表面に照射するよりは、高電力の短パルスを利用するのが良い。紫外線を十分な厚みのインク層まで深く貫通させるべく、高電力の短パルスを利用すると同時に、ＬＥＤでの結晶冷却のためにパルス間でのパルス比を大きくすることが最適である。 In order to penetrate ultraviolet rays as deep as possible with respect to the ink layer, it is preferable to use short pulses of high power rather than irradiating the surface with low power ultraviolet rays for a long time. In order to penetrate ultraviolet rays deeply to a sufficiently thick ink layer, it is optimal to use a high-power short pulse and at the same time increase the pulse ratio between pulses for crystal cooling in the LED.
パルスの電力を正確に決めて、結晶が過熱しないようにするべく、電流安定器を用いる。電流安定器は、ＬＥＤを流れる電流を安定化させるものであって、ＬＥＤの電圧降下を把握することによって、パルスの電力を正確に算出すると共に、ＬＥＤを流れる電流を制限して、ＬＥＤが壊れないようにする。パルスの繰り返し周波数は、以下に記載する条件を考慮して算出される。キャリッジが材料の上方を移動する速度は１．５ｍ／秒で、紫外線は表面の各ポイントで貫通する必要があるので、各ＬＥＤおよびラジエータの幅を考慮に入れて、パルスの周波数を算出することができる。例えば、プリンタキャリッジは１秒間に最高速度では１５００ｍｍ移動し、周波数が１０００Ｈｚの場合、２つのパルスの間で、キャリッジは１．５ｍｍ移動する。周波数が１０，０００Ｈｚの場合、プリンタキャリッジは０．１５ｍｍ移動する。 A current stabilizer is used to accurately determine the power of the pulse so that the crystal does not overheat. The current stabilizer stabilizes the current flowing through the LED. By grasping the voltage drop of the LED, the current of the pulse is accurately calculated and the current flowing through the LED is limited to break the LED. Do not. The pulse repetition frequency is calculated in consideration of the conditions described below. The speed at which the carriage moves over the material is 1.5 m / sec, and UV light must penetrate at each point on the surface, so the pulse frequency should be calculated taking into account the width of each LED and radiator. Can do. For example, the printer carriage moves 1500 mm at a maximum speed per second, and when the frequency is 1000 Hz, the carriage moves 1.5 mm between two pulses. When the frequency is 10,000 Hz, the printer carriage moves 0.15 mm.
塗布層に対してより深く貫通させて、（プログラムによって）重合化プロセスを加速させるためには、ＬＥＤの結晶を冷却するべく、デューティーサイクルの増加に対応した倍数で電流の大きさを大きくする必要がある。ここにおいて、作用瞬時電力も対応した倍数で大きくなる。ＵＶ ＬＥＤを流れる電流パルスの周波数、デューティーサイクル、および、大きさは、多くの要因、例えば、インクを硬化させるエネルギー（感度は、インクまたは紫外線硬化性物質の組成および特性に応じて異なる）、利用されているフォトポリマー、紫外線に対する吸収率または反射率が異なる複数種類の利用顔料および顔料の粒子サイズ、利用されている光開始剤およびその含有率、さまざまな添加剤、重合化プロセスに影響を及ぼす外部要因、硬化性物質の層の厚み、硬化性物質、例えば、インクの液滴のサイズ（利用されるプリントヘッドに応じて変わる）、ヘッドの数（１つのヘッドで複数の色が利用される）、プリントヘッドの分解能（１インチあたりのノズル数）、ヘッドの動作モード、紫外線硬化性材料と相対的に決まるラジエータの速度、ヘッドの動作の周波数、紫外線集束ビームのサイズ、紫外線源から紫外線硬化性材料面までの距離、紫外線硬化性物質の温度、周囲環境の温度および湿度、紫外線源の電力に応じて変動する。 In order to penetrate deeper into the coating layer and accelerate the polymerization process (by program), it is necessary to increase the current magnitude by a factor corresponding to the increased duty cycle to cool the LED crystals. There is. Here, the working instantaneous power is also increased by a corresponding multiple. The frequency, duty cycle, and magnitude of the current pulses flowing through the UV LED depend on many factors, such as the energy to cure the ink (sensitivity depends on the composition and properties of the ink or UV curable material), utilization Photopolymers used, multiple types of pigments with different absorption or reflectance for ultraviolet light and pigment particle size, photoinitiators used and their content, various additives, affecting the polymerization process External factors, layer thickness of curable material, curable material, eg ink droplet size (depending on print head used), number of heads (one head uses multiple colors ), Print head resolution (number of nozzles per inch), head operation mode, and UV curable material. Varies with the speed of the radiator, the frequency of head movement, the size of the UV focused beam, the distance from the UV source to the UV curable material surface, the temperature of the UV curable material, the temperature and humidity of the surrounding environment, and the power of the UV source To do.
上記の紫外線によって物質を硬化させる装置は、例えば、大規模プリンタにおいてポリマー接着剤、塗料コーティング、インクを硬化させるために紫外線を照射することが必要なさまざまな工学の分野で利用することができる。インクの特性（重合化エネルギー、粒子のサイズおよび吸収スペクトル、利用されるフォトポリマーおよび光開始剤、添付剤の有無、硬化性物質の層の厚み）は多岐にわたることを考えると、紫外線の電力およびラジエータの特性は、インクおよび利用されるヘッドの両方の特性に基づいて選択する必要がある。ＵＶ ＬＥＤのパルスの繰り返し周波数の制御は、以下に記載する条件に基づいて算出する必要がある。紫外線源のキャリッジが紫外線硬化性インクでコーティングすべき材料の上方を移動する速度は１．５ｍ／秒で、紫外線は当該材料の表面の各ポイントで貫通する必要があるので、各ＵＶ ＬＥＤおよび紫外線源の幅を考慮に入れて、紫外線源の周波数を算出することができる。例えば、ＸＡＡＲ１２６プリントヘッドのプリンタキャリッジは１秒間に最高速度では１５００ｍｍ移動し、周波数が１０，０００Ｈｚの場合、２つのパルスの間の時間で、キャリッジは０．１５ｍｍ移動する。 The above-mentioned apparatus for curing a substance by ultraviolet rays can be used in various engineering fields that require irradiation with ultraviolet rays to cure polymer adhesives, paint coatings, and inks in large-scale printers, for example. Given the wide range of ink properties (polymerization energy, particle size and absorption spectrum, photopolymers and photoinitiators used, presence or absence of attachments, layer thickness of curable material), the power of ultraviolet light and The characteristics of the radiator must be selected based on the characteristics of both the ink and the head utilized. The control of the repetition frequency of the pulse of the UV LED needs to be calculated based on the conditions described below. The speed at which the carriage of the UV source moves over the material to be coated with UV curable ink is 1.5 m / sec, and UV light must penetrate at each point on the surface of the material, so each UV LED and UV light The frequency of the UV source can be calculated taking into account the width of the source. For example, the printer carriage of an XAAR 126 print head moves 1500 mm at a maximum speed per second, and if the frequency is 10,000 Hz, the carriage moves 0.15 mm in the time between two pulses.
紫外線によって物質を硬化させる方法の構造図を図１に示し、当該方法を行う装置を図２に示す。当該装置は、直列に接続されており、出射スペクトルが同じである複数のＵＶ ＬＥＤ２が複数の行に分かれて配列されている紫外線源１を備える。ＵＶ ＬＥＤの出射スペクトルは、硬化させる物質の光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応する。複数の行に分かれて配列されている複数のＵＶ ＬＥＤ２は、ＵＶ ＬＥＤを冷却する効果を持つ水熱交換器であるラジエータ３の上に配設されている。ラジエータ３の上には温度センサ４が直接配設されており、当該温度センサ４はＵＶ ＬＥＤの温度を制御する機能を持つ。紫外線源１は、図２に示すように、紫外線を光学的に集束させる一連のレンズによって構成されているシステム５を有する。制御ブロック６は、ＵＶ ＬＥＤ制御パルスを生成するように構成されており、コントローラ７と、複数の電力モジュール８を含むブロックとを有する。温度センサ４は、コントローラ７の制御入力である制御ブロック６の制御入力に対応付けられている。一連のＵＶ ＬＥＤ２は、例えば、ハンダ付けによって、ラジエータ３に直接固定されている。ＵＶ ＬＥＤからの熱はラジエータ３に流れて、水流冷却システム（不図示）によって冷却される。ＵＶ ＬＥＤは全て、ラジエータ３の同じ面であって同じ平面内に配設されている。当該装置で用いられているＵＶ ＬＥＤは、消費電力が大きく、結晶当たり１ワットを上回り、筐体間の距離を最低限に抑えて高密度にラジエータ３上に配置されている。ＵＶ ＬＥＤの表面は、紫外線を光学的に集束させるシステム５によって損傷を受けないように保護されている。システム５は、単位表面当たりの光学パワーを大きくするレンズ系であり、一方向に紫外線を通過させる材料で形成されている。
FIG. 1 shows a structural diagram of a method for curing a substance by ultraviolet rays, and FIG. 2 shows an apparatus for performing the method. The apparatus includes an ultraviolet ray source 1 connected in series and having a plurality of
高電力のＵＶ ＬＥＤは、放出する熱が多い。効果的に冷却するべく、ＵＶ ＬＥＤは、ラジエータ３に直接ハンダ付けされる（または、熱伝導性接着剤で取り付けられる）。ＵＶ ＬＥＤのアノードおよびカソードへの電圧入力は、ラジエータ３から絶縁された導電体によって行う必要がある。積極的に冷却を行うべく、ＵＶ ＬＥＤは、ラジエータ３のうち水熱交換器で形成されている冷却面に取り付けられる。
High power UV LEDs emit a lot of heat. In order to cool effectively, the UV LED is soldered directly to the radiator 3 (or attached with a thermally conductive adhesive). The voltage input to the anode and cathode of the UV LED needs to be performed by a conductor insulated from the
当該熱交換器の反対側は、液体によって冷却される。水冷システムは、小型で、高電力ＵＶ ＬＥＤを効率良く冷却することができる。 The opposite side of the heat exchanger is cooled by liquid. The water cooling system is small and can efficiently cool high power UV LEDs.
制御ブロック６は、結晶当たりの消費電力が１ワットを上回る高電力ＵＶ ＬＥＤを動作させる。制御ブロック６が有するコントローラ７は、制御ブロック６のデータ入力および外部制御装置、例えば、「スタート」ボタンまたはパーソナルコンピュータ（不図示）に接続されている。制御ブロックの電力モジュール８の第１および第２の入力は、それぞれ「電流設定」を示すアナログ信号および「制御パルス」を示すデジタル信号を出力するコントローラ７の制御出力に接続されている。各電力モジュールの電力リード線は、対応するＵＶ ＬＥＤ２に接続されている。
The
各電力モジュール８は、パルス幅変調を行うパルス制御電流安定器として構成されるとしてよく、周波数が１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の電流パルスをＵＶ ＬＥＤに印加する。このような構成によると、電流パルスの周波数１／Ｔ、電流の大きさ、および、デューティーサイクルは、硬化性物質の特性および硬化条件に応じて決定される。ＵＶ ＬＥＤに流れる電流は、図３に示すようになる。 Each power module 8 may be configured as a pulse controlled current stabilizer that performs pulse width modulation, and applies a current pulse with a frequency in the range of 1 kHz to 10 MHz to the UV LED. According to such a configuration, the frequency 1 / T of the current pulse, the magnitude of the current, and the duty cycle are determined according to the characteristics of the curable material and the curing conditions. The current flowing through the UV LED is as shown in FIG.
本発明に係る紫外線を用いて物質を硬化させる方法を以下に説明する。光開始剤を含む紫外線硬化性物質に、複数のＵＶ ＬＥＤ２から紫外線を照射する。全てのＵＶ ＬＥＤの出射スペクトルは、紫外線硬化性物質に含まれる光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応する。例えば、波長３６５ｎｍである。紫外線源１の強度は、硬化性物質の特性および硬化条件に応じて制御される。このため、電流パルスを順次、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数でＵＶ ＬＥＤに印加する必要がある。制御ブロック６は、電流パルスの周波数、デューティーサイクル、および、大きさを制御して、ＵＶ ＬＥＤの平均許容損失が最大値と等しく、または、近くなるようにする。例えば、ＮＩＣＨＩＡ社のＮＣＣＵ０３３型の波長が３６５ｎｍのＵＶ ＬＥＤは、最大許容損失が３．３Ｗとなる。つまり、ＮＣＣＵ０３３型のＵＶ ＬＥＤは許容損失の臨界値が４．１Ｗであることが実験によって実証されているので、ＵＶ ＬＥＤの破損を引き起こす臨界値を越えていない。
A method for curing a substance using ultraviolet rays according to the present invention will be described below. An ultraviolet curable substance containing a photoinitiator is irradiated with ultraviolet rays from a plurality of
このような構成によると、電流パルスの周波数、大きさ、および、デューティーサイクルは、紫外線硬化性物質の重合化エネルギーおよび組成、紫外線硬化性物質の層の厚み、硬化性物質の層を塗布する方法、硬化性物質に紫外線を照射する期間、周囲環境の温度および湿度、および、ＵＶ ＬＥＤの特性といったパラメータに応じて操作される。 According to such a configuration, the frequency, magnitude, and duty cycle of the current pulse are determined by the polymerization energy and composition of the UV curable material, the layer thickness of the UV curable material, and the method of applying the layer of curable material. The curable material is operated according to parameters such as a period during which the curable material is irradiated with ultraviolet rays, temperature and humidity of the surrounding environment, and characteristics of the UV LED.
上述した方法を実施する装置の動作を以下で説明する。外部制御装置、例えば、コンピュータ（不図示）と通信することによって、作業パラメータのデータ、例えば、パルス周波数制御、パルスのデューティーサイクル、および、最高動作温度、および、ＵＶ ＬＥＤの電力が制御ブロック６のコントローラ７に送信される。これらのパラメータは、コントローラ７の不揮発性メモリに格納される。（制御）ブロック６は、コンピュータから適切なコマンドを送ることによって外部制御デバイスによってリモートに、または、ボタン（不図示）を用いて手動で、オンに制御する必要がある。制御ブロック６のアナログ出力を起動させるコマンドの場合、電流Ｉｍの所与の設定値に対応するアナログ信号がＵＶ ＬＥＤ２を流れる。コントローラ７のデジタル出力では、指定された制御パルスの周波数およびデューティーサイクルに従って「制御パルス」信号が形成される。この結果、周波数が１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の電流パルスが順次、ＵＶ ＬＥＤに印加される。コントローラ７は、オン制御コマンドが解除されない限り、または、ＵＶ ＬＥＤの温度が指定された最高温度に到達するまで、「制御パルス」信号を生成する。コントローラ７は、温度センサ４からの信号によってＵＶ ＬＥＤの温度をモニタリングする。温度センサ４は、ＵＶ ＬＥＤ２が取り付けられているラジエータ３の上に配設されている。コントローラ７は、コントローラ７のメモリに格納されている最高動作温度の設定値に温度センサ４からの信号が到達すると、メインプログラムに従って、「制御パルス」信号の印加を中断するか、または、ＵＶ ＬＥＤの出力電力を低減するべく制御パルスのデューティーサイクルを大きくするか、または、各ＬＥＤ２を流れる電流を低減するべくコントローラ７のアナログ出力において信号レベルを低くする。コントローラ７のアナログ出力から出力されている「電流設定」信号は、同時に全ての電力モジュール８に入力され、ＵＶ ＬＥＤ２の電流の大きさを示す。コントローラ７のデジタル出力は、それぞれ各電力モジュール８に接続されており、装置のエネルギー源（不図示）のピーク電力を低減するべく、各モジュール８を互いに相対的に遅延させてオン／オフを制御することができる。
The operation of an apparatus that implements the method described above will be described below. By communicating with an external controller, for example, a computer (not shown), the operating parameter data such as pulse frequency control, pulse duty cycle, maximum operating temperature, and UV LED power are It is transmitted to the
電力モジュール８は、コントローラ７から制御信号を受信して、コントローラ７から受信した制御信号に応じた大きさおよびデューティー幅の電流パルスをＵＶ ＬＥＤ２用に生成する。電流パルスがＵＶ ＬＥＤ２を流れると、ＵＶ ＬＥＤ２は紫外線および熱を発生させる。ＵＶ ＬＥＤが発生する熱は、水冷システムを持つラジエータ３に送られて、ラジエータ３で放出される必要がある。紫外線は、光学システム５を通過することによって、ビームを形成、つまり、集束する。集束した紫外線は、紫外線硬化性物質でコーティングされた基板に照射される必要がある。このように、上記の紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置は、第一に、蛍光ランプの利用を避けることができると共に、効率係数の上昇、動作温度の安定化、タイミングバジェットの増加、オゾン除去による環境への悪影響の低減、および、消費電力削減を実現することができる。本発明に係る紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置は、より広い分野で利用することができる。また、ＵＶ ＬＥＤのみを利用するので、紫外線によって物質を硬化させる方法が、簡略化および低コスト化される。同じスペクトル領域の紫外線を出射するＵＶ ＬＥＤを複数利用することによって、光開始剤の感度が最大となる波長に完全に一致することになり、物質を硬化させる際の効率が高くなる。
The power module 8 receives a control signal from the
ＬＥＤの出射強度の制御は、ＵＶ ＬＥＤの電流センサの指標、ならびに、フィードバックおよび温度の安定化に基づいて行われ、結晶の劣化を小さくして、ＵＶ ＬＥＤの出射強度を高くすることができる。出射強度は、基板の上ではなくラジエータの上にＵＶ ＬＥＤが直接配設されていることによって、有効性が高くなる。基板の上ではなくラジエータの上に温度センサが直接配設されていることによっても、結晶の劣化が小さくなるという効果が得られる。全てのＵＶ ＬＥＤは直列で接続されており、全てのＵＶ ＬＥＤは同じ波長の紫外線を出射するので、ＬＥＤを流れる電流を大きくする必要はなく、紫外線によって物質を硬化させる際のコストが小さくなる。また、この場合、ＵＶ ＬＥＤを流れる電流が安定するので、ＬＥＤの出射強度がより安定する。 Control of the emission intensity of the LED is performed based on the index of the current sensor of the UV LED, and feedback and temperature stabilization, so that the deterioration of the crystal can be reduced and the emission intensity of the UV LED can be increased. The output intensity is enhanced by the fact that the UV LEDs are arranged directly on the radiator rather than on the substrate. Even if the temperature sensor is directly disposed on the radiator instead of on the substrate, the effect of reducing the deterioration of the crystal can be obtained. Since all the UV LEDs are connected in series and all the UV LEDs emit ultraviolet rays having the same wavelength, it is not necessary to increase the current flowing through the LEDs, and the cost for curing the substance by the ultraviolet rays is reduced. In this case, since the current flowing through the UV LED is stabilized, the emission intensity of the LED is further stabilized.
また、同じ種類のＬＥＤを利用することによって、波長が同一で特性が類似している光が出射されるので、ＬＥＤ制御システムが簡略化され、ＬＥＤの出射強度が高くなる。 Also, by using the same type of LED, light having the same wavelength and similar characteristics is emitted, so that the LED control system is simplified and the emission intensity of the LED is increased.
以上より、本発明は、ＬＥＤの結晶劣化を低減することによって、高効率化されたＬＥＤ制御システムおよびＬＥＤ冷却システムを備える紫外線によって物質を硬化させる装置を提供する。さらに、装置を簡略化して、質量−寸法パラメータを低減し、例えば、プリンタの可動部への装着を可能とし、コストを削減して、紫外線硬化性物質の硬化を容易にして、環境への悪影響を低減して、消費電力を削減し、蛍光ランプの利用を避けて、同じ出射スペクトルのＬＥＤを利用して、嫌気性領域を設けることによって、長寿命化を実現する。この結果、本発明は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタにおいて、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の表面に画像を大規模にフルカラー印刷するべく利用することができる。同時に、本発明は、出射帯域が狭い紫外線の場合でも、紫外線硬化性物質を高速に硬化させる。 As described above, the present invention provides an apparatus for curing a substance with ultraviolet rays, which includes an LED control system and an LED cooling system that are highly efficient by reducing crystal degradation of the LED. In addition, the device is simplified to reduce mass-dimension parameters, for example, enabling mounting on moving parts of a printer, reducing costs, facilitating curing of UV curable materials, and adverse environmental impact By reducing the power consumption, reducing the power consumption, avoiding the use of fluorescent lamps, and using an LED having the same emission spectrum, an anaerobic region is provided, thereby realizing a long life. As a result, the present invention provides a large image on the surface of various materials such as flexible polymer and sheet polymer, glass, metal, ceramic, wood, etc. in a piezo ink jet full color printer having various types of print heads. It can be used for full color printing on a scale. At the same time, the present invention cures an ultraviolet curable substance at high speed even in the case of ultraviolet rays having a narrow emission band.
紫外線硬化性インクを硬化させる例を以下に記載して本発明を説明する。 An example of curing an ultraviolet curable ink is described below to illustrate the present invention.
＜例１＞
以下の物質を含む紫外線硬化性白色インクを硬化させる。
光開始剤：
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の５０％、
モノアシルホスフィンオキシド、２０％、
アミン相乗剤、エチル−４−ジメチルアミノ安息香酸、３０％
<Example 1>
An ultraviolet curable white ink containing the following materials is cured.
Photoinitiator:
2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, 50% of the total amount of photoinitiator,
Monoacylphosphine oxide, 20%,
Amine synergist, ethyl-4-dimethylaminobenzoic acid, 30%
このインクは、粘度が摂氏２５度において２９ｃＰ（２９．１０−３Ｐａ．ｓ）で、摂氏４５度において１１ｃＰ（１１．１０−３Ｐａ．ｓ）で、表面張力が２４．７ｄｙｎｅ／ｃｍである。 This ink has a viscosity of 29 cP (29.10 −3 Pa.s) at 25 degrees Celsius, 11 cP (11.10 −3 Pa.s) at 45 degrees Celsius, and a surface tension of 24.7 dyne / cm. .
ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ ＵＶ ＬＥＤ大規模プリンタで印刷を行って、ＵＶ ＬＥＤの波長が３６５ｎｍである上述した紫外線装置から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定しており、硬化速度は速く、硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。 Printing is performed with a NEO UV LED large-scale printer equipped with an XAAR 128/40 head, and the ink is irradiated with ultraviolet rays from the above-described ultraviolet ray apparatus having a wavelength of 365 nm, and the curing speed test of the ink is performed. The ink behavior in the printhead is stable, the cure speed is fast, and the cure time is 0.4 seconds. Excellent print quality is obtained.
＜例２＞
黒色インクの硬化を行う。
光開始剤：
イソプロピルチオキサントン、光開始剤の全量の３０％、
２−ベンジル−２−（ジメチルアミノ）−１−［４−（４−モルホリニル）フェニル］−１−ブタノン、（Ｃｉｂａ社製のＩｒｇａｑｕｒｅ３６９）、１０％、
モノアシルホスフィンオキシド、１０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−ジメチルアミノ安息香酸、５０％
<Example 2>
Curing black ink.
Photoinitiator:
Isopropylthioxanthone, 30% of the total amount of photoinitiator,
2-benzyl-2- (dimethylamino) -1- [4- (4-morpholinyl) phenyl] -1-butanone (Irgaque 369 from Ciba), 10%,
Monoacylphosphine oxide, 10%,
Co-initiator, amine synergist, ethyl-4-dimethylaminobenzoic acid, 50%
このインクは、粘度が摂氏２５度において２３．４ｃＰで、摂氏４５度において１１ｃＰで、表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍである。 This ink has a viscosity of 23.4 cP at 25 degrees Celsius, 11 cP at 45 degrees Celsius, and a surface tension of 25 dyne / cm.
出射帯域が３６５ｎｍであるＵＶ ＬＥＤを備える標準的な紫外線源から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。また、このインクの試験は、ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ ＵＶ ＬＥＤ大規模プリンタで行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定しており、硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。 The ink is tested for cure speed by irradiating with ultraviolet light from a standard ultraviolet light source equipped with a UV LED having an emission band of 365 nm. The ink test is also performed on a NEO UV LED large scale printer with XAAR 128/40 heads. The ink behavior in the printhead is stable and the cure time is 0.4 seconds. Excellent print quality is obtained.
＜例３＞
光開始剤として以下の物質を含む青色インクを硬化させる。
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の０．２０％、
モノアシルホスフィンオキシド、３０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−（ジメチルアミノ）安息香酸、５０％
<Example 3>
A blue ink containing the following substances as a photoinitiator is cured.
2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, 0.20% of the total amount of photoinitiator,
Monoacylphosphine oxide, 30%,
Co-initiator, amine synergist, ethyl-4- (dimethylamino) benzoic acid, 50%
このインクは、粘度が摂氏２５度において２４．９ｃＰで、摂氏４５度において９．５ｃＰで、表面張力が２４．９ｄｙｎｅ／ｃｍである。 This ink has a viscosity of 24.9 cP at 25 degrees Celsius, 9.5 cP at 45 degrees Celsius, and a surface tension of 24.9 dyne / cm.
ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ ＵＶ ＬＥＤ大規模プリンタで、ＬＥＤの波長が３６５ｎｍである上述した紫外線硬化性物質硬化装置を用いて、このインクの硬化試験を行う。硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。 The ink is tested for curing using the UV curable material curing device described above with a LED wavelength of 365 nm in a NEO UV LED large scale printer with XAAR 128/40 heads. The curing time is 0.4 seconds. Excellent print quality is obtained.
＜例４＞
以下の物質を含む赤色インクを硬化させる。
光開始剤：
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の２０％、
モノアシルホスフィンオキシド、３０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−（ジメチルアミノ）安息香酸、５０％
<Example 4>
A red ink containing the following materials is cured.
Photoinitiator:
2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, 20% of the total amount of photoinitiator,
Monoacylphosphine oxide, 30%,
Co-initiator, amine synergist, ethyl-4- (dimethylamino) benzoic acid, 50%
このインクは、粘度が摂氏２５度において２４．７ｃＰで、摂氏４５度において８．９ｃＰで、表面張力が２４．５ｄｙｎｅ／ｃｍである。 This ink has a viscosity of 24.7 cP at 25 degrees Celsius, 8.9 cP at 45 degrees Celsius, and a surface tension of 24.5 dyne / cm.
出射帯域が３６５ｎｍであるＵＶ ＬＥＤを備える標準的な紫外線源から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。また、このインクの試験は、ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ ＵＶ ＬＥＤ大規模プリンタで行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定している。硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。 The ink is tested for cure speed by irradiating with ultraviolet light from a standard ultraviolet light source equipped with a UV LED having an emission band of 365 nm. The ink test is also performed on a NEO UV LED large scale printer with XAAR 128/40 heads. The ink behavior in the print head is stable. The curing time is 0.4 seconds. Excellent print quality is obtained.
＜産業上の利用可能性＞
本発明は、印刷に利用することができる。特に、ピエゾインクジェット方式のフルカラー印刷方法を用いて所望の画像または文字を印刷して、スペクトル帯域が狭い紫外線を照射してバインダによる光重合反応で印刷内容を固着させる際に利用することができる。この結果、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の平坦な表面に文字、画像等をフルカラー印刷することができる。
<Industrial applicability>
The present invention can be used for printing. In particular, it can be used when a desired image or character is printed using a full-color printing method of a piezo ink jet method, and the printed content is fixed by a photopolymerization reaction by a binder by irradiating ultraviolet rays having a narrow spectral band. As a result, full-color printing of characters, images, and the like can be performed on a flat surface of various materials such as a flexible polymer and a sheet-like polymer, glass, metal, ceramic, and wood.
１ 紫外線源、２ ＬＥＤ、３ ラジエータ、４ ＵＶ ＬＥＤの温度センサ、５ 照射を光学的に集束させるためのシステム、６ ＵＶ ＬＥＤ制御ブロック、７ コントローラ、８ 電力モジュール 1 UV source, 2 LED, 3 radiator, 4 UV LED temperature sensor, 5 system for optically focusing the irradiation, 6 UV LED control block, 7 controller, 8 power module
Claims (23)
前記複数のＵＶ ＬＥＤからの照射は、前記硬化性物質に含まれる前記光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応し、前記複数のＵＶ ＬＥＤには、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数で電流パルスを順次印加する方法。 A method of curing a material, wherein the method is performed on a curable material including a photoinitiator, and the curable material is applied to a surface of a substrate by irradiation from a plurality of UV LEDs,
Irradiation from the plurality of UV LEDs corresponds to a spectral region in which the sensitivity of the photoinitiator contained in the curable material is maximized, and the plurality of UV LEDs has a frequency in the range of 1 kHz to 10 MHz. A method of sequentially applying current pulses.
複数のＵＶ ＬＥＤを有する紫外線源と、
前記紫外線源の前記複数のＵＶ ＬＥＤを制御するＵＶ ＬＥＤ制御ブロックと、
前記複数のＵＶ ＬＥＤを冷却するためのラジエータと、
前記ＵＶ ＬＥＤ制御ブロックに接続されている、前記複数のＵＶ ＬＥＤ用の温度センサと
を備え、
前記紫外線源は、光学集束システムを有しており、前記ＵＶ ＬＥＤ制御ブロックは、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数で電流パルスが前記複数のＵＶ ＬＥＤに順次印加されるように構成されている装置。 A device for curing substances by ultraviolet light,
An ultraviolet light source having a plurality of UV LEDs;
A UV LED control block for controlling the plurality of UV LEDs of the ultraviolet light source;
A radiator for cooling the plurality of UV LEDs;
A temperature sensor for the plurality of UV LEDs connected to the UV LED control block;
The ultraviolet light source has an optical focusing system, and the UV LED control block is configured such that current pulses are sequentially applied to the plurality of UV LEDs at a frequency in the range of 1 kHz to 10 MHz. .
顔料、アクリレート、光開始剤、共開始剤またはアミン相乗剤、シリコーン添加剤、超分散剤、共分散剤、光安定剤を備え、アクリレートは、二官能基アクリレート、単官能基アクリレート、多官能基アクリレートを有し、前記インクの重量に対する重量パーセントでは、
顔料 １−３
二官能基アクリレート ６０−７０
単官能基アクリレート ５−１０
多官能基アクリレート ５−１０
光開始剤 ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤 ２−５
シリコーン添加剤 ０．２−１
超分散剤 ０．０２−０．１
共分散剤 ０．０２−０．１
光安定剤 ０．０２−１．１４
の割合となるインク。 UV curable ink,
Includes pigments, acrylates, photoinitiators, coinitiators or amine synergists, silicone additives, hyperdispersants, codispersants, light stabilizers, acrylates are bifunctional acrylates, monofunctional acrylates, multifunctional groups Having an acrylate, in weight percent relative to the weight of the ink,
Pigment 1-3
Bifunctional acrylate 60-70
Monofunctional acrylate 5-10
Multifunctional acrylate 5-10
Photoinitiator 3-8
Co-initiator or amine synergist 2-5
Silicone additive 0.2-1
Super dispersant 0.02-0.1
Co-dispersant 0.02-0.1
Light stabilizer 0.02-1.14
The ratio of ink.
請求項１３に記載のインク。 The ink according to claim 13, wherein the coinitiator includes an amine synergist.
顔料、アクリレート、光開始剤、共開始剤またはアミン相乗剤、シリコーン添加剤、超分散剤、共分散剤、光安定剤を備え、二官能基アクリレートを以下の重量パーセントで含む
顔料 ２０−３０
二官能基アクリレート ６０−７０
光開始剤 ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤 ２−５
シリコーン添加剤 ０．２−１
超分散剤 ０．０２−０．１
共分散剤 ０．０２−０．１
光安定剤 ０．０２−１．２０
インク。 UV curable ink,
Pigment, acrylate, photoinitiator, co-initiator or amine synergist, silicone additive, superdispersant, co-dispersant, light stabilizer, with bifunctional acrylate in the following weight percent: Pigment 20-30
Bifunctional acrylate 60-70
Photoinitiator 3-8
Co-initiator or amine synergist 2-5
Silicone additive 0.2-1
Super dispersant 0.02-0.1
Co-dispersant 0.02-0.1
Light stabilizer 0.02-1.20
ink.
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